鐵盔山隧道富水巖溶塌落柱段施工處理技術

王 芳 汪 勇 鄭杰元

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

鐵盔山隧道位于成貴鐵路貴州省境內黔西至貴陽區間，為設計時速250 km的單洞雙線隧道，全長5 227 m，最大埋深約380 m。下伏基巖為三疊系中統獅子山組(T2sh)之灰巖、泥質灰巖、泥質白云巖夾薄層頁巖、溶塌角礫巖，三疊系中統松子坎組(T2sh)頁巖、泥質白云巖、灰巖、白云巖、泥巖、泥質灰巖夾石膏，三疊系下統茅草鋪組(T1m)泥質白云巖、白云巖、泥質灰巖灰巖夾頁巖、溶塌角礫巖；另外分布有斷層角礫巖、斷層泥、壓碎巖等組成的斷層破碎帶(Fbr)物質。預計最大涌水量為8.24萬m3/d，巖溶主要發育段涌水量預計6.94萬m3/d。

為加快施工進度，滿足工期要求，解決施工通風、排水以及不良地質段處理等問題，兼顧運營期間防災救援，鐵盔山隧道采用“進口平導+出口平導”的輔助坑道方案，其中進口平導與正洞為剪刀差形式。鐵盔山隧道縱斷面見圖1。

2 巖溶塌落柱發育分析

2.1 巖溶塌落柱現場發育情況

鐵盔山隧道出口平導開挖至PDK469+395時，掌子面揭示有溶洞塌落堆積體，堆積體以塊石為主，夾少量黏土，結構紊亂且具有一定膠結性，巖塊棱角分明，塊徑0.2 m～2 m不等，自穩性較差，掌子面出水量約4 000 m3/d，后經雨季觀測，最大出水量達36 000 m3/d?，F場揭示情況如圖2，圖3所示。

通過在平行導坑掌子面及后方施作7個水平地質鉆孔，探明了掌子面前方地質情況及不良地質體范圍。同時為降低超前平導及正洞施工風險，確保施工安全，根據超前探測資料，在PDK469+435線路右側實施迂回導坑方案，其布置圖如圖4所示。

施工現場于正洞、平導、迂回導坑實施超前水平鉆孔和隧底補勘工作。通過對鉆孔情況、芯樣成分進行分析，結合現場超前TSP報告，基本探明該不良地質體的發育范圍，發育范圍位于平導PDK469+341～PDK469+395段線左32 m至線右27 m，侵入正洞約6.5 m。示意圖如圖5所示。

綜合分析揭示圍巖情況、現場揭示水文地質情況以及隧區地形地質條件，基本判斷該不良地質體為巖溶塌落柱。巖溶塌落柱是巖溶洞穴塌陷的產物，它是下伏可溶性巖層，經地下水強烈溶蝕形成溶洞后，在各種地質因素的作用下，引起上覆巖層失穩、塌陷，從而形成的筒狀柱體。

2.2 巖溶塌落柱發育的地質環境

巖溶塌落柱的發育是多種地質因素共同作用的結果，它的形成往往需經歷一個孕育、發生、發展的復雜過程，有其特定的地質環境。

1)可溶性巖層?？扇苄詭r層是巖溶塌落柱發育的前提條件，也是塌落柱發生的始發層位。該不良地質體段穿越三疊系中統松子坎組(T2s)，地層中的灰巖、白云巖、石膏層屬可溶性巖層；下伏的三疊系下統毛草鋪組(T1m)地層主要為可溶性巖層，巖溶中等～強烈發育。

3)地下水徑流條件。隧址區侵蝕基準面為鴨池河，其河面標高大致為840 m，平導PDK469+395底面標高為1 108 m，地勢落差大，地下水運動非常活躍，該不良地質體下伏地層內有充分發育形成溶洞的條件。

4)地質構造(主要是裂隙)。該不良地質體段位于鐵盔山盆狀向斜核部附近，豎向張開節理發育，洞身所穿三疊系中統松子坎組(T2s)地層以薄～中厚層狀為主，巖體被切割成規格各異的塊體。在向斜核部張應力作用下，巖層底部蝕空、脫空后易于發生坍塌陷落，為塌落柱的向上發育創造了條件。

5)力學條件。主要指的是重力作用，其是巖溶塌落柱向上不斷發育的主要力學條件。以伸展構造為主的鐵盔山盆狀向斜區域，其最大主應力處于垂直方向，水平應力相對較低。

2.3 巖溶塌落柱地質特征

1)巖溶塌落柱工程地質特征。PDK469+395揭示的巖溶塌落柱其塌落主要發生于三疊系中統松子坎組(T2s)地層，其巖性主要為頁巖、泥質白云巖、灰巖、白云巖、泥巖、泥質灰巖夾石膏。根據現場實施水平探孔取芯分析，隧道周邊塌落堆積巖塊母巖主要為泥質白云巖、頁巖、灰巖等，根據現場PDK469+395掌子面揭示情況，塌落堆積巖塊之間有一定膠結，說明是有一定地史時期的塌落柱，其中泥巖因受長期侵蝕，有一定的泥化現象。PDK469+395掌子面揭示的塌落體呈塊石夾黏土狀，其中的黏土一部分由地下水攜帶而來，一部分則為泥化的頁巖。

另外，巖溶塌落柱的形成是一個多次塌落的過程，在長期的塌落過程中，上覆巖體向柱體內塌落，柱邊圍巖不斷受到塌落巖塊的撞擊，加之卸荷作用，巖溶塌落柱的柱邊圍巖將逐漸形成環狀裂隙破碎帶，其結構強度也將降低。

可見，該巖溶塌落柱柱體及其柱邊圍巖屬于地質體薄弱帶，巖體穩定性差，且承載力較低。

2)巖溶陷落柱水文地質特征。根據施工現場水文觀測，2017年6月23日PDK469+395掌子面出水量達36 000 m3/d，可見該巖溶塌落柱為一典型的發育于地下水強徑流帶上的導水塌落柱，其塌落堆積物未能很好壓實膠結，自身成為導水通道。

另一方面，塌落柱周邊裂隙帶導水，也容易引發塌落柱突水。塌落柱在形成過程中，周邊圍巖因卸荷、松動、撞擊形成了一個以塌落柱柱體為中心的、不規則環狀破碎裂隙帶，受次生應力作用(即隧道開挖后巖體內應力重新分布)的影響，裂隙帶抗剪強度降低，地下水的侵入，導致裂隙尖端應力集中，使裂隙擴展、貫通，成為導水通道，引發塌落柱突水。結合現場施工實際情況，隧道出口工區施工至DK469+918之后，洞室內逐漸出現裂隙出(涌)水的情況，最大出水量達約12 000 m3/d，這種裂隙出(涌)水的情況在某種程度上與塌落柱周邊裂隙帶導水的分析相吻合。

總體而言，該巖溶陷落柱柱體本身及柱體邊圍巖均為地質體薄弱帶，阻水強度低，施工時容易引發突水。巖溶塌落柱發育縱斷面示意如圖6所示。

3 隧道穿越巖溶塌落柱段施工處理措施

3.1 隧道穿越巖溶塌落柱段面臨的問題

隧道穿越巖溶塌落柱段施工時，首要問題是結合巖溶塌落柱的特點確定其范圍以及與隧道的相對位置關系，這一問題在前文中已經說明清楚。其次是施工中需要對巖溶塌落柱段的地下水進行有效引排以及對不良地質體進行有效地加固，從而確保隧道穿越巖溶塌落柱段的施工安全。

3.2 巖溶塌落柱段隧道施工處理措施

1)富水巖溶塌落柱段排水降壓。前文中迂回平行導坑采取模筑混凝土襯砌，目的是為了能夠將富水巖溶塌落柱段的地下水盡量引排至迂回導坑，同時在導坑內靠近塌落柱段模筑混凝土襯砌邊墻處布置集水鉆孔，鉆孔孔徑為150 mm，每孔長度35 m，集水鉆孔縱向間距為2 m，鉆孔布置如圖7所示。通過設置集水鉆孔，有效地將巖溶塌落柱段的地下水進行引導排放，從而降低了該段隧道結構承受的水壓力，保證了施工安全。

2)富水巖溶塌落柱段注漿加固。根據地質勘察情況，對DK469+353～DK469+393段富水巖溶塌落柱段進行注漿加固處理，主要采用超前周邊注漿、拱墻范圍徑向注漿加固措施以及隧底袖閥管注漿加固措施。具體如下：

a.超前周邊注漿。鐵盔山隧道DK469+393～DK469+353段線路右側揭示不良地質體，侵入正洞掌子面約1/3，不良地質體由大小不一的碎塊石紊亂堆積，巖塊棱角分明，最大塊徑約1 m，間夾較多軟塑狀黏土。為確保施工安全，于DK469+396～DK469+335段采用超前周邊注漿加固，注漿過程中根據地質水文條件適當調整注漿參數。

主要注漿參數見表1，超前注漿縱斷面見圖8。

表1 超前周邊注漿相關參數表

b.拱墻范圍不良地質體影響區域注漿加固。采用φ60鋼花管注漿加固(壁厚5 mm)，間距0.6 m(縱向)×1 m(環向)，每根長5 m，考慮到雨季施工地下水發育情況，注漿采用雙液漿，注漿壓力為1.2 MPa～2.5 MPa，通過現場注漿試驗確定具體注漿壓力、配合比等有關參數和合理的施工工藝。注漿過程中對漿液流動性、進漿速度、注漿壓力、進漿量等參數進行全過程記錄，并根據施工需要適當摻外加劑調整漿液的流動性。

c.隧底注漿加固處理。隧底不良地質體影響范圍內采用φ108鋼質袖閥管(壁厚6 mm)注漿加固，鉆孔直徑為φ127，間距0.6 m×0.6 m，交錯布置，袖閥管至仰拱填充面以下30 m，利用仰拱填充面高程作為施工平臺，平臺面至平臺以下5.3 m區域不注漿。注漿完成后，基底采用厚3 m的鋼筋混凝土筏板通過，筏板每次開挖不超過12 m。二襯采用80 cm厚的鋼筋混凝土襯砌。施作筏板時為確保初期支護的安全，鋼架應接到筏板底并設置鎖腳錨管，同時錨網噴臨時防護。隧底處理典型斷面如圖9所示。

4 結論

本文結合成貴鐵路鐵盔山隧道富水巖溶塌落柱段施工，對巖溶塌落柱發育情況和隧道穿越巖溶塌落柱段面臨的問題進行分析，提出隧道穿越富水巖溶塌落柱段施工處理措施，形成如下結論：1)大型不良地質體需加強超前預測預報工作，準確探明不良地質體發育范圍和性質，綜合分析富水充填體儲量、水壓、連通性、充填物等特征，充分評估其對隧道施工和運營的危害程度。明確充填物性質及其與隧道的相互關系是首要工序。2)巖溶塌落柱段地下水對隧道施工及結構的安全影響很大，安全有效的排水降壓是確保工程順利實施的關鍵要點。3)結合巖溶塌落柱段的物理特性和隧道結構受力模式針對性地采取不同的注漿方式，明確注漿目的和作用是解決施工安全問題的重要前提。4)鐵盔山隧道穿越巖溶塌落柱段施工，通過采取迂回導坑和超長鉆孔探明了富水巖溶塌落柱發育范圍，結合不良地質范圍與隧道相互關系分析控制因素，采用排水降壓和超前周邊注漿、拱墻范圍徑向注漿加固措施以及隧底袖閥管注漿加固等措施，優化調整隧底結構型式，保證了該段復合地基承載力特征值不小于400 kPa，確保了鐵盔山隧道不良地質體范圍的施工安全。本文總結的富水巖溶塌落柱隧道施工處理技術對巖溶地區類似隧道工程的建設具有重要的指導意義。